DE2043676C3 - Verfahren zur Herstellung von Verbundlagern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Verbundlagern

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von festen und gegen Ermüdung beständigen La- gern durch Verbinden einer Schicht einer Aluminiumlegierung mit 2 bis 8% Silicium und 0,5 bis 4% Cadmium mit einem Stahlträger und anschließender Wärmbehandlung.
Aus der US-PS 3 300 838 ist ein Verfahren zur Herstellung von zu Verbundlagern verformbaren Bimetallstreifen bekannt, bei dem eine Aluminiumlegierung mit 2 bis 8% Silicium, 0,5 bis 4% Cadmium, Rest Aluminium und bis zu 5% Verunreinigungen auf niedrig gekohlten Stahl aufplattiert und danach der bo Bimetallstreifen zum Lager verformt wird. In der Patentschrift wird ausdrücklich davor gewarnt, den Aluminiumlegierungsstreifen auf Temperaturen über 480° C zu erhöhen,4im die Güte der Bindung an die Stahlunterlage nicht zu beeinträchtigen, während der b5 Stahlstreifen überhaupt nicht vorerhitzt werden soll, da andernfals Schutzgas verwendet werden müßte. Für die Nachbehandlung wird ein Weichglühen der Aluminiumauflage, das auch der Verbesserung der Bindung dienen soll, im Temperaturbereich von ca. 250 bis 425° C empfohlen.
Die US-PS 3 268 369 befaßt sich mit der Erhöhung der Härte und damit verbunden mit der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Präzisionslagern, bestehend aus einer Stahlunterlage mit einer Auflage aus einer Aluminiumlegierung mit 0,75 bis 1,4% Cadmium und 2,5 bis 11,6%, vorzugsweise 3,5 bis 4,5% Silicium, die in fertig bearbeitetem Zustand eine Dicke von 0,3 mm nicht übersteigt. Die Lager werden in nicht oxydierender Atmosphäre einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von mindestens 400° C, die jedoch die Schmelztemperatur des Aluminium-Silicium-Eutektikums nicht übersteigen darf, unterzogen, worauf in öl oder Wasser von Raumtemperatur rasch abgeschreckt wird. Für die Temperatur des Lösungsglühens werden im einzelnen Werte zwischen 525 und 550° C angegeben; die Glühdauer liegt zwischen 5 und 15 Minuten. Bei dieser Behandlung soll das Silicium in submikroskopischen Partikeln ausgefällt werden, die gleichmäßig in der Aluminiumschicht dispergiert sind.
Aus der Patentschrift ist zu entnehmen, daß nennenswerte Härtesteigerungen durch die dort beschriebene Wärmebehandlung nur zu erzielen sind, wenn die Dicke der Aluminiumlegierungsschicht gering gehalten wird, da ein Anstieg der Dicke über etwa 0,25 mm hinaus zu einer Verminderung der dieser Schichtdicke entsprechenden Härte (62 Rockwell 15 T) führt, die je 0,05 mm Dickenzunahme etwa 2,5 Punkte beträgt. Außerdem wird gefordert, daß die Temperatur genügend niedrig gehalten wird, um die Bildung von Oberflächenrissen in der Legierungsschicht zu vermeiden.
Im Zusammenhang mit einem Lager aus einer Knetlegierung mit 0,05 bis 3% Magnesium, 0,05 bis S % Cadmium, 0,3 bis 5 % Silicium, 0,1 bis 1 % Kupfer, Rest Aluminium und Verunreinigungen wird in der US-PS 2807540 eine Wärmbehandlung der Legierung zur Erhöhung der Härte und damit auch der Ermüdungsfestigkeit des Lagers beschrieben. Für eine Vergütung der Legierung im Gußzustand, beispielsweise in Barren, werden Temperaturen im Bereich von 480 bis 565 ° C genannt, wobei sich diese Glühbehandlung über eine Dauer von 8 bis 15 Stunden erstrecken muß, um den gewünschten Zweck zu erreichen. Die Lehre dieser Patentschrift gibt keinerlei Hinweise darauf, wie bei einem Verbundlager verfahren werden könnte, ohne die Eigenschaften der Stützschale und damit die des Lagers in unerwünschter Weise zu verändern. Zwar ist in der Patentschrift erwähnt, daß die beschriebenen Aluminiumlegierungen auch im Verbund mit einer Stahlstützschale verarbeitet werden können; es fehlt jedoch jede Anweisung, wie die Anwendung und Veredelung im Verbund zu verwirklichen wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung unter Wärmebehandlung eines bimetallischen Lagerwerkstoffes aus einer Schicht einer 2 bis 8% Silicium und 0,5 bis 4% Cadmium enthaltenden Aluminiumlegierung anzugeben, aus der Verbundlager erhöhter Härte, verbesserter Festigkeit und verbessertem Ermüdungswiderstand geformt werden können, wobei diese Verbesserungen ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften der Stahlstützschale oder der Bindung zwischen dieser und der Legierungsdicke erreicht werden, ohne daß der Dicke
der Legierungsschicht enge Grenzen gesetzt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Schicht eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die zusätzlich zum Silicium- und Cadmiumanteil 0,05 bis 0,15% Kupfer und 0,1 bis 2% Magnesium enthält, daß der Verbundwerkstoff für eine Dauer von wenigstens 15 Sekunden und weniger als 5 Minuten auf 480 bis 525° C erhitzt wird, daß der Verbundwerkstoff anschließend noch vor dem Abkühlen unter 450° C in einer Flüssigkeit mit einer Temperatur von höchstens 40° C abgeschreckt wird und daß dann das Lager geformt und 10 Stunden lang bei 175° C ausscheidungsgehärtet wird.
Nach einer vorteilhaften Ausf ührungsform der Erfindung soll die Dauer der Erhitzung auf 480 bis 525° C 80 Sekunden nicht überschreiten. Es kann auch zweckmäßig sein, die zehnstündige Ausscheidungshärtung voi der Formung des Lagers vorzunehmen und das Erhitzen in einem Luftumlaufofen durchzuführen. Besonders für die Herstellung von Flanschlagern empfiehlt es sich allerdings, das Lager oder Lagerteil vor dem Ausscheidungshärten zu formen.
Die Glühbehandlung des Lagerwerkstoffes bei Temperaturen von 480 bis 525° C zur Überführung des Kupfers und Magnesiums und eines Teils des SiIiciums in eine feste Lösung kann mit Vorteil in einem Bad aus neutralen geschmolzenen Salzen oder aus Blei vorgenommen werden, wobei der Stahlträger mit der Legierungsschicht in Streifenform oder in Metall körben in die Bäder eingesetzt wird. Das Bleibad wird dabei vorzugsweise auf einer Temperatur von 570° C gehalten. Da das Aufwärmen der Streifen in der Regel etwa eine Minute dauert, ergibt sich bei der sehr kurzen Verweilzeit von 15 Sekunden eine gesamte Eintauchzeit von etwa 80 Sekunden. Um gleichmäßige Ergebnisse zu erhalten, können die Bimetallstreifen vor dem Erhitzen im Bade 30 Minuten lang auf 345 ° C erwärmt werden.
Wesentlich ist, daß das Abschrecken nach dem Erhitzen auf 480 bis 525° C sich so rasch anschließt, daß ihre Temperatur noch nicht unter 450° C gesunken ist, bevor sie in die Abschreckflüssigkeit, wie Wasser oder öl von vorzugsweise 20 bis 25 ° C, gelangen. Dieser Zeitraum sollte 30 Sekunden nicht übersteigen.
Als Trägermaterial empfiehlt sich handelsüblicher unlegierter Einsatzstahl mit 0,08 bis 0,13% C bzw. bis 0,10% C bis 0,10% Si, 0,30 bis 0,60 bzw. bis 0,50% Mn, bis 0,040% P und bis 0,050% S (entsprechend USA SAE 1010 bzw. SAE 1008, gemäß »Stahl-Eisen-Liste«, 3. Auflage, Verlag Stahleisen m.b.H., Düsseldorf, 1969, S. 186/187).
Die Erfindung wird anhand folgender Beispiele weiterhin erläutert. Sie zeigen, daß bei Dicken der Legierungsschicht von mehr als 0,25 mm überraschenderweise Rockwellhärten von 67 bis 70 erreicht werden.
Beispiel 1
Lager für Kolbenstangen von Dieselmotoren
Eine Aluminium-Legierung aus 3,94% Silicium, 1,0% Cadmium, 0,13% Kupfer, 0,14% Magnesium, Rest Aluminium, wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 2,15 mm, wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Gesamtdicke von 2,5 mm entstand. Der Streifen wurde zu Stücken zerschnitten, die man 65 Sekunden lang in ein Bad aus einem geschmolzenen neutralen Salz von 510° C eintauchte, wobei 50 Sekunden zum Aufwärmen erforderlich waren. Dann entfernte man die Stücke aus dem Bad und schreckte schnell in Wasser von 25° C ab. Anschließend wurden die Stücke durch Ausscheidung gehärtet mittels einer Behandlung in einem Ofen mit umlaufender Luft während 10 Stunden bei 175° C. Die Schicht der Aluminium-Legierung hatte eine mittlere Rockwell-Härte von 67
ίο nach der 15-T-Skala. Die Stücke wurden zu Lagern mit einer Wanddicke von 2,4 mm verarbeitet. Hiernach hatte die Schicht der Aluminiumlegierung eine mittlere Rockwell-Härte von 69 nach der R-15-T-Skala. Die Lager wurden plattiert mit einer Legierung
aus 2,5% Kupfer, 10% Zinn und 87,5% Blei. Diese Plattierung hatte eine mittlere Dicke von 12,5 Mikron. Lager derselben Zusammensetzung aber ohne die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Wärmbehandlung hatten eine mittelere Rockwell-Härte von 50 nach der R-15-T-Skala.
Beispiel 2
Hauptwellenlager für Dieselmotoren
Eine Aluminium-Legierung mit 3,70% Silicium, 1,10% Cadmium, 0,15% Magnesium, 0,10% Kupfer, Rest Aluminium, wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 3,5 mm, wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Dicke von 4,2 mm entstand. Man schnitt den Streifen zu Stücken, die man nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren in einem Bade von geschmolzenem neutralem Salz bei 510° C behandelte. Nach der lOstündigen Ausscheidungs-Härtung bei 175° C war die mittlere Rockwell-Härte der Aluminium-Legie-
« rung 69 nach der R-15-T-Skala. Aus diesen Stücken fertigte man Lager mit einer Wanddicke von 3,95 mm. In diesen Lagern hatte die Schicht der Aluminium-Legierung eine mittlere Rockwell-Härte von 70 nach der R-15-T-Skala. Ebenso wie beim Beispiel 1 plat-
tierte man dann eine 12,5 Mikron dicke Schicht der gleichen Zusammensetzung auf.
Lager derselben Zusammensetzung und Dicke, die nicht erfindungsgemäß wärmebehandelt worden waren, hatten eine mittlere Rockwell-Härte von 48 nach der R-15-T-Skala.
Beispiel 3
Flanschförmige Wellenlager für Dieselmotoren
Eine Aluminium-Legierung der im Beispiel 2 beschriebenen Zusammensetzung wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 2,25 mm, wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Gesamtdicke von 3 mm entstand. Man schnitt den Streifen zu Stücken, die weiter nach den Beispielen 1 und 2 behandelt wurden. Aus den abgeschreckten Stücken formte man flanschförmige Lagerschalen, die nach den Beispielen 1 und 2 durch Ausscheidung gehärtet wurden. Die Schicht der Aluminium-Legierung hatte eine mittlere Rockwell-
Härte von 69 nach der R-15-T-Skala. Die Halbschalen wurden dann mechanisch so bearbeitet, daß sie eine Wanddicke von 2,6 mm hatten. Hierauf wurde entsprechend Beispiel 1 eine Schicht von 12,5 Mikron Dicke auf die Lageroberfläche aufplattiert. —
Lager derselben Zusammensetzung und Dicke, die aber nicht erfindungsgemäß wärmebehandelt worden waren, hatten eine mittlere Rockwell-Härte von 49 nach der R-15-T-Skala.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von festen und gegen Ermüdung beständigen Lagern durch Verbin- den einer Schicht einer Aluminiumlegierung mit 2 bis 8% Silicium und 0,5 bis 4% Cadmium mit einem Stahlträger und anschließende Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die zusätzlich 0,05 bis 0,15% Kupfer und 0,1 bis 2% Magnesium enthält, daß der Verbundwerkstoff für eine Dauer von wenigstens 15 Sekunden und weniger als 5 Minuten auf 480 bis 525° G erhitzt wird, daß der Verbundwerkstoff anschließend noch vor dem Abkühlen unter 450° C in einer Flüssigkeit mit einer Temperatur von höchstens 40° C abgeschreckt wird und daß dann das Lager geformt und 10 Stunden lang bei 175° C ausscheidungsgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Erhitzung auf 480 bis 525° C 80 Sekunden nicht überschreitet.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung auf 480 bis 525° C in einem Bad aus Blei oder aus geschmolzenen neutralen Salzen vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerwerkstoff nach der Plattierung und vor der Erhitzung auf 480 bis 525° C 30 Minuten lang bei 345° C erwärmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die lOstündige Ausscheidungshärtung bei 175° C vor der Formung des Lagers vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlträger in Streifenform verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerwerkstoff ein niedrig gekohlter Stahl verwendet wird.
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